K A L M Á R
G Á B O
R
E I V R T Ágazati Félvezetőfejlesztés
A hibaanalízis beépítése a megbízható integrált áramkörök fejlesztési folyamatába ETO:
021.049.7.019.3
-
111
H a z á n k b a n az integrált áramkörök tömeggyártása az első T T L á r a m k ö r kifejlesztése u t á n , 1971-ben indult meg. A kezdeti fejlesztés az R T L áramkör család előállítását célozta, de az ipar igénye időköz ben a T T L integrált á r a m k ö r ö k felé tolódott el. Ez természetesen nem véletlen, hanem ennek az áram körcsaládnak a jó rendszertechnikai alkalmazhatósá gát bizonyítja. Az első hazai T T L á r a m k ö r kifejlesz tése idején m á r elterjedt a felhasználók között a T E X A S SN 7 4 . . . N áramkörcsalád előnyös elektro mos és megbízhatósági tulajdonságai miatt.
A fejlesztés folyamatábrájának isinertctfee Az 1. ábra szerinti módszert k ö v e t v e l á t t a k a mun kához a T U N G S R A M fejlesztői. Megbízható integrált áramkörök fejlesztésének folyamatábrája Célkitűzés
Megvalósítás
Eredmény •
Kontroll vizsgálatok Hibamecha nizmusok Kutatás Hibaanalizls eszközei \H2S2-KB1]
1. ábra.
Megbízható integrált áramkörök folyamatábrája
fejlesztésének
A célkitűzés — mint az előzőekből is k i t ű n i k — az volt, hogy elektromos paramétereiben és megbízha tósági jellemzőiben ekvivalens á r a m k ö r ö k e t fejleszszünk k i az SN 7 4 . . . N sorral. A megvalósítás során, mind statikus, mind dina mikus p a r a m é t e r e k v o n a t k o z á s á b a n a céltípussal azo nos á r a m k ö r t sikerült fejlesztőinknek kidolgozniuk (2. á b r a ) . A 0 . . . 70 °C h ő f o k t a r t o m á n y b a n az elekt romos p a r a m é t e r e k drifftje megegyezik a cél típussal. Ez természetesen nehéz és sokirányú fejlesztő mun k á t igényelt. Az ebben az időszakban v é g z e t t kísér letek eredményei m e g m u t a t t á k , hogy egyes hibaB e é r k e z e t t : 1974. I I I . 7.
2. ábra. A T L 7400 elem f é n y k é p e
mechanizmusok h a t á s á t adott korlátok alá kell szorí tani a megvalósítás során. A későbbi fejlesztési idő szak feladata ezeknek a hibamechanizmusoknak a t o v á b b i k u t a t á s a . Az 1. ábra szaggatott nyila erre utal. E v v e l részletesebben majd a hibaanalízis rész nél foglalkozunk. Az e r e d m é n y az elektromos p a r a m é t e r e k mellett a megbízhatóságot is biztosította. A technológia és a megbízhatósági munka jó összhangjának, i l l . a meg felelő visszacsatolásnak volt köszönhető az elemek felületének jó passziválása, amely a stabilitás szem pontjából döntő volt. Hasonló munka eredménye volt az ún. kevert fémezési technológia kidolgozása is. A m á r g y á r t á s b a kerülő típusok megbízhatósági vizs gálati rendszere, másnéven „ B " vizsgálati rendszere folyamatos ellenőrzéssel biztosítja a g y á r t m á n y a i n k minőségét. Ez a „ B " vizsgálati rendszer, amely a T L 7 4 . . . ( S N 7 4 . . . N ) m ű a n y a g tokozott TUNGS R A M integrált áramkörökre vonatkozik, felépítésében és szigorúsági fokában megegyezik a megfelelő IEC ajánlásokkal, i l l . a hasonló vizsgálati rendszerekkel. Egyes általunk ismert vizsgálati rendszereknél még szigorúbb is. A vizsgálatok szerepét, szigorúságát, i l l . hibamechanizmusokat gyorsító h a t á s á t m á r m á s dolgozatban kifejtettük, ezért i t t erre nem t é r ü n k k i [1, 2]. A célkitűzés eredményes megvalósítását bizo nyítja, hogy a 150 °C — 5000 órás h ő n t a r t á s o s vizs gálat során kiváló p a r a m é t e r s t a b i l i t á s t m é r h e t t ü n k a g y á r t o t t integrált áramköreinken. A 3. á b r a a T L 7410 típusú á r a m k ö r V , míg a 4. á b r a az I (5,5 V ) p a r a m é t e r é n e k 5000 órás vizsgálat alatti sta bilitását bizonyítja. Az V stabilitása a kötések m i nőségét, az 7 az elem felületének jó passziválását igazolja. 0 L
m
0 L
1H
A m e g h í z h a t ó eszköz g y á r t á s a a technológia függ vénye. A technológiának szigorú b e t a r t á s a és ellen-
241
HÍRADÁSTECHNIKA
Vizsgálat megnevezése •• 150°C-os VizsgájUipus: TL7M0 Vizsgált paraméter: VOL
Mért érte kek szó ' 0 rási hah -ai VotM,óra 100-110 110-120 120-130 130-M 1W-150 150-16C 160-170 170-180 180-1901 190-2001 200-2101 210-2201 220-230 230-2W MJ50 1 250-2601 260-2701 270-280 280-2901 290-3001 300-310 310-320 320-330 33Ö-3W 340-350 350-360 360-370 370-380 380-390
•• •
m
500
1000
óra
óra
óra
1
••
1 •
3000
UOOO 5000
óra
óra
óra
1 1
•
1
•
•
•
•
1
•1
2000
•
•1
óra
1
•
1
H l
hőkezelés Vizsgált db.szám: 38 Katalógus határ:közép:220mV max: WOmV Vizsgálat kezdete--1972.tt.6
I I 1
•
1 1
X X V . É V F . 8. S Z .
1 1 1
1
•
1 m i
1 1
i i i i
1
• • 5. ábra. Megfelelően k i a l a k í t o t t t e r m o k o m p r e s s z i ó s g ö m b k ö t é s . A n y o m á s h a t á s á r a keletkezett csúszási síkok a gömb oldalán megfigyelhetők ( P E M 1 0 0 0 X )
1
• l
'
• •
1
A megbízhatósági m u n k á h o z és a hibaanalízishez igyekeztünk felhasználni, illetve bevonni a legmo dernebb eszközöket. A planárfechnológia jelenlegi színvonala a térfo gati meghibásodásokat az előző technológiákhoz k é pest minimálisra csökkentette. Tapasztalataink alap j á n állíthatjuk, hogy a közelmúlt, i l l . napjaink prob lémája — főleg az integrált áramköröknél — úgy merül fel, mint a megbízhatóság = a kötés-megbízható >lfiO , , , 1 , , L 1 | i i i sággal. 5 101520 5101520 5101520 5101520 5101520 51015205 101520 5101520 A szerelésben ma m é g sok a kézi művelet és az olyan ellenőrzési m ó d , mely erősen függ a m u n k á t IH2S2-KC3Í végző személyektől. Ezt úgy is lehetne összefoglalóan 3. ábra. T L 7410 t í p u s ú á r a m k ö r ö k 1 5 0 °C h ő n t a r t á s o s vizs nevezni, hogy i t t a legnagyobb a „ h u m á n faktor" g á l a t a s o r á n 5 0 0 0 ó r á i g f e l v e t t V Q L p a r a m é t e r eloszlása szerepe a technológia folyamatában. A félig automa t i z á l t műveletek, p l . a felforrasztás és a termokompVizsgálat megnevezése-. 150°C-os hőkezelés resszió, valamint az ellenőrzésre, i l l . a selejtes példá Vizsgált típus: TL7k10 nyok kiszűrésére alkalmazott mikroszkópos átnézés Vizsgált paraméter Jm [5.5V) •„ . a m u n k á t végző személy begyakorlottságától, pilla Vizsgált darabszám : 38 katalógus határ:Jm (5,5V) natnyi lelki- és idegállapotától függően ingadozó m i max 1mA nőséget e r e d m é n y e z h e t (5. és 6. á b r a ) . Vizsgálat kezdete: 1972. IX. 6
I
I
Mértertékkk szórá 0 si határai óra
168
500
1000
2000
3000
4000 5000
óra
óra
óra
óra
óra
óra
óra
1 1-2 2- 3 1 3- 4 1-5 5-6 m 6-7 • • • • 1 1 I 1 1 m 1 7-8 1 1 8-9 9-10 10-11 1 i , , i i i 1, , , 1 , , i i i 1, , , S1015205101520510B2051015205101520S10152D5101520510152I \Hm-mi,\
•
1
4. ábra. T L 7 4 1 0 t í p u s ú á r a m k ö r ö k 1 5 0 °G h ő n t a r t á s o s vizs g á l a t a során 5 0 0 0 óráig felvett J I H ( 5 , 5 V ) p a r a m é t e r eloszlása
őrzése a biztosítéka a megfelelő minőségű integrált áramkörök gyártásának. A fejlesztés időszakában számos kísérletet végez t ü n k speciális fémtokba szerelt példányokon, ame lyek mikroszkópos megfigyelést is lehetővé tettek.
242
6. ábra. T ú l n y o m o t t é s a k ö t é s i t e r ü l e t szélére t e r m o k o m p r i m á l t kötés ( P E M 1 0 0 0 X )
KALMÁR G . : H I B A A N A L l Z I S B E É P Í T É S E I C - K F E J L E S Z T É S É B E
Következésképpen a gyártástechnológiának a sze relés a legkritikusabb fázisa és ezért jelenleg ez de terminálja a g y á r t o t t félvezető eszköz megbízhatósá g á t . A szerelés színvonalára jellemző az, hogy milyen ingadozást mutat a különböző szerelési selejtek %-a a g y á r t á s e g y m á s u t á n i időszakában. J ó l beállított szerelés esetén a különböző időszakokból származó, különböző selejtfajták %-a közel azonos. Eddigi ta pasztalati adataink alapján levonhatjuk azt a k ö v e t keztetést, hogy a szerelés egyenletes minősége a biz tosítéka a nagyobb megbízhatóságú félvezető eszköz g y á r t á s á n a k . T á g a b b értelemben „ m e g b í z h a t a t l a n nak" minősül az olyan félvezető eszköz, amely elekt romos p a r a m é t e r e i t tekintve megfelelő ugyan, de „ r e j t e t t " szerelési-tokozási h i b á k a t tartalmaz. Összehasonlító kísérleteket v é g e z t ü n k és ennek eredménye alapján arra a következtetésre j u t o t t u n k , hogy a g y á r t o t t tételek meghibásodási a r á n y a k b . egy nagyságrenddel j a v í t h a t ó , ha kiselejtezzük a h i b á s a n szerelt és tokozott eszközöket, m é g akkor is, ha azok „nulla ó r á n " elektromosan megfelelőek. Ez természetesen elég költséges és nem mindig alkalmaz h a t ó eljárás. A megbízható eszközök előállítása, fejlesztése szem pontjából nélkülözhetetlen a m e g h i b á s o d o t t példá nyok analízise. Egyes degradációs folyamatok h a t á s m e c h a n i z m u s á n a k a feltárása az alapja ezek kiküszöbölésének, i l l . a technológia továbbfejlesztésének. 1. ábra. R ö n t g e n t o p o g r á f i á s f e l v é t e l I n t e g r á l t á r a m k ö r i szelet r ő l a szigetdiffúzió u t á n
Hibaanalízis-módszerek A fejlesztés, g y á r t á s , a kontrollvizsgálatok, i l l . a hibamechanizmusok k u t a t á s a céljából i g é n y b e v e t t ü k a röntgendiffrakciós topográfia, a nagyfelbontású röntgensugaras átvilágítás, a P á s z t á z ó (Scanning) Elektron M i k r o s z k ó p (PEM) és az elektronsugaras mikroanalizátor n y ú j t o t t a lehetőségeket. Röntgendiffrakciós
topográfia
(röntgentopográfia)
A m ó d s z e r t [3] a H I K I , majd az E I V R T K u t a t ó Anyagvizsgáló L a b o r a t ó r i u m á b a n alkalmaztuk a fél vezető k r i s t á l y o k b a n levő rácshibák szerkezetének, keletkezési okainak és h a t á s u k n a k t a n u l m á n y o z á s a céljából. A z alkalmazott különleges reflexiós tech nika n é h á n y mikrométeres vastagságú felületi réteg roncsolásmentes v i z s g á l a t á t teszi lehetővé. A r ö n t gentopográfiás vizsgálatok során a reflektált sugár n y a l á b intenzitása — a kristályról visszaverődve — a helyi rácstorzulások függvényében változik. A le képezés a röntgensugár diffraktált (karakterisztikus) komponenseivel t ö r t é n i k . A felbontóképesség h a t á r a k b . 2 [xm. A 7. á b r a egy integrált á r a m k ö r i szeletről készült röntgentopográfiás k é p e t mutat. L á t h a t ó k a sziget diffúziós helyeken megjelenő, a r á c s p a r a m é t e r változásból származó diszlokációk. A felvételen meg figyelhetők sziget diffúziós helyek melletti — nem diffundáltatott — t a r t o m á n y b a n a sarkokról és élek ről kiinduló diszlokációs hurkok.
analízis eszközeként a nulla órás p a r a m é t e r e k n e k a beállított középértékektől való eltérése esetén alkal mazzuk. Nagy felbontású röntgensugaras átvilágítás )
átvilágítás
(röntgen-
A félvezető eszközök roncsolásmentes vizsgálatá hoz használjuk a röntgensugaras eljárás átvilágításos módszerét [4, 5]. Ez biztosítja a szerelési technológia ellenőrzését — felforrasztás, termokompresszió, toko zás—, emellett a roncsolásmentes hibaanalízis esz-
a
A röntgentopográfiás módszert a diffúziós techno lógiai lépések v á l t o z t a t á s a i esetén, i l l . új technológiai eljárások bevezetése idején vesszük igénybe. Hiba-
8. ábra.
Egy fémtokozott integrált áramkör r ö n t g e n á t v i l á g í t á s o s felvétele
243
H ÍR ADÁSTECHNIKA X X V . É V F . 8. SZ.
A rötgenátvilágítással sikerült g y á r t m á n y a i n k o n egy egyenletes minőségű szerelési, tokozási technoló giát beállítani. Az előzőekben részleteztük a „ h u m á n faktor"szerepét. A röntgenfelvételeknek a szerelést végző dolgozókkal t ö r t é n ő közös kiértékelése és meg m a g y a r á z á s a a v á r t n á l is kedvezőbb befolyást gya korolt a szerelés minőségére! Célunk ezzel a h u m á n faktor csökkentése volt és eredménnyel is j á r t . A l i . á b r á n a m á r ellenőrzött, beállított technológiával készült integrált á r a m k ö r l á t h a t ó . A felvétel t a n ú sítja, hogy eredményes volt a technológia ellenőrzése és beállítása a röntgen átvilágítással. A fentiekben a röntgenátvilágításos módszernek a nulla órás selejtek roncsolásmentes hibaanalízisében betöltött igen fontos szerepét d o m b o r í t o t t u k k i . 9. ábra. A z e g y i k t e r m o k o m p r e s s z i ó s k ö t é s f e l v á l t a f r ö c c s s a j t o l á s k o r és az e g y i k k i v e z e t ő n a k e t t ő s l e t ű z é s u t á n . l á n g v á g ó v a l l e v á g o t t a r a n y s z á l nem v o l t l e t é p v e
közeként is használható. A Toshiba-cégnél a m ű anyag tokozású integrált áramkörök szerelését át világítással ellenőrzik [6]. A vizsgálat m ó d j á t a M I L - S T D — 4 5 3 s z a b v á n y rögzíti. A röntgenátvilágítás technikáját a T U N G S R A M K u t a t ó Anyagvizsgálati L a b o r a t ó r i u m á b a n a fém és m ű a n y a g t o k o z o t t eszközökre alkalmaztuk. A 8. á b r á n egy fémtokozott integrált áramkör röntgenátvilágításos képét l á t h a t j u k . A felforrasztás a termokom pressziós g ö m b ö k átmérője és a bekötő aranyhuzalok feszítettsége egyenletes. A m ű a n y a g t o k o z á s kísérleti beállításának időszakában a nulla órás selejtes példá nyok analízisénél készült a 9. á b r á n l á t h a t ó röntgen átvilágításos felvétel. Kezdetben az elemtartó lapka nem volt lesüllyeszt ve a l á b a k szintje alá, ez azt jelentette, hogy viszony-
11. ábra. B e á l l í t o t t t e c h n o l ó g i á v a l k é s z ü l t j ó i n t e g r á l t á r a m k ö r röntgenátvilágításos képe
A módszer alkalmazását Stefániay Vilmos dol gozta k i az E I Y R T K u t a t ó b a n . A felvételek egy r é szét is ő készítette, a másik részét Dr. Pataki György né. Pásztázó Elektron ikmszkóp
(PEM)
A pásztázó, vagy másnéven scanning elektronsugár ral m ű k ö d ő eszközöket a félvezető iparban világ-
10. ábra. A b e k ö t ő s z á l a k h u r k o s s á g a v á l t o z ó . A m ű a n y a g l á t h a t ó a n nem n y o m t a meg a s z á l a k a t . A k é p b a l o l d a l á n mara dék aranyszál látható
lag magas hurokkal kellett vezetni a bekötő arany szálakat az elemtől a kivezető lábig. A 10. á b r á n egy, ebből az időszakból származó integrált á r a m k ö r ol dalnézeti képe l á t h a t ó . A fejlesztés időszakában azonban m á r megoldot t u k az e l e m t a r t ó lap lesüllyesztését, és az elem felü letét lakkcseppel védjük. Ez u t ó b b i módszer bizto sítja a jobb mechanikai szilárdságot a lezárás során és a m ű a n y a g t o k o z o t t á r a m k ö r ö k jó nedvesség álló képességét. A lesüllyesztett l a p k á v a l t ö r t é n ő szerelés beveze tése u t á n — az ellenőrzés egyértelműségének biztosí t á s a érdekében — a röntgenátvilágítás stereotechnik á j á t is alkalmaztuk.
244
12. ábra. E g y i n t e g r á l t á r a m k ö r t e r m o k o m p r e s s z i ó u t á n i részlete. A jó t é r h a t á s megfigyelhető (PEM 300X)
KALMÁR G . ; H I B A A N A L l Z I S B E É P Í T É S E I C - K F E J L E S Z T É S É B E
m i a t t i folt. A kontraszt előjele és m é r t é k e a m i n t a t é r és a detektor elrendezésének függvénye, a felvételen a pozitív részlet a környezetéhez viszonyítva söté tebb. A P E M feszültségkontrasztos üzemmódú h a s z n á lata, valamint az ún. vezetési m ó d b a n t ö r t é n ő alkal mazása terjedelménél fogva egy külön közlemény t á r g y á t képezi, ezért erre nem t é r ü n k k i . Az i t t be m u t a t o t t felvételeket a F é m i p a r i K u t a t ó Intézet JEOL—JSM—U3 típusú berendezésével Stefániay Vilmos készítette az E I V R T és az F K I közötti szer ződéses m u n k á k során. A dolgozatban közölt P E M felvételek nagyítása 10x10 cm-es k é p m é r e t r e vo natkozik. Elektronsugaras
13. ábra.
T L 7472 elem p o t e n c i á l n é l k ü l ( P E M 1 0 0 X )
szerte használják [7]. A minta felületén pásztázó fókuszált s u g á r n y a l á b h á r m a s szerepet j á t s z i k :
mikroanalizátor
(ESM)
Mikroanalizátort — mikroszondát — kapunk akkor, ha a mozgatott e l e k t r o n n y a l á b egy adott elem karak terisztikus r ö n t g e n s u g á r z á s á t gerjeszti, azt detektál juk, majd ennek intenzitásával a r á n y o s jellel modu láljuk a kijelző katódsugár-cső elektronsugarát [8].
1. mint „ f é n y " a felületi szerkezetet l á t h a t ó v á teszi, 2. mint „ v e z e t é k " töltéshordozókat t o v á b b í t , 3. mint „gerjesztő-energia" mikrotérfogatok röntgenspektrális analízisére n y ú j t lehetőséget. A vizsgált felületről reflektált szekunder elektronok kal alkotott domborzati k é p j ó (kb. 200 Á) felbon tással, különlegesen nagy mélységélességgel és látszó lagos térhatással ábrázolja a minta felületének dom b o r z a t á t 12. ábra. A nagyítás széles h a t á r o k k ö z ö t t (20—30 000X) folyamatosan állítható. Az integrált á r a m k ö r r e feszültséget adva a minta felületének eltérő potenciálú részletei m e g v á l t o z t a t j á k a kilépő szekunder elektronok pályáit, ezzel m ó dosítják azok detektálási hatásfokát, vagyis feszült ség-kontrasztot idéznek elő. 13., 14. ábra egy T L 7472 elem feszültség nélküli, illetve feszültség alatti képét mutatja. A 14. á b r á n jól l á t h a t ó — a fémezés kar colásán kívül — a bázisterületen a fotoreziszt hibája
14. ábra. T L 7472 elem egy t r a n z i s z t o r a p o t e n c i á l alatt. A sötét rész a pozitív potenciálú. A bázis t e r ü letén l á t h a t ó folt a h i b á t mutatja ( P E M 500X)
15. ábra.
T L 7472 t ú l s z i n t e r e l t f é m e z é s ű h a t e m i t t e res t r a n z i s z t o r a ( P E M 1 0 0 0 X )
lü. ábra. A z a l u m í n i u m e l o s z l á s a . A s z o m s z é d o s e m i t t e r a b l a k o k . k ö z ö t t a z á r l a t l á t h a t ó (120ÖX)
245
HÍRADÁSTECHNIKA
V i z s g á l t u k a túlszinterelt alumínium és nikkel kevert fémezéssel készült T L 7472 egy hat emitteres tran zisztorát 15. ábra. A mikroszondás 16. ábra az elem eloszlást mutatja a fenti áramkörrészleten. A t ú l színterelés m i a t t az alumínium „ h á r o m s z ö g e s e d é s " a szomszédos emittereknél z á r l a t o t okozott. A P E M és az ESM e g y ü t t e s h a s z n á l a t a lehetőséget biztosít a dolgozat elején e m l í t e t t olyan hibamecha nizmusok k u t a t á s á h o z , amelyek a t o v á b b i fejlesztés célkitűzései. Ilyen p l . az A u - A l rendszer ún. pestisedése, valamint a fémező rendszerek kialakítása, szinterelése. Jelenleg ilyen i r á n y ú k u t a t á s o k a t vég zünk. Az i t t bemutatott felvételeket a F é m i p a r i K u t a t ó I n t é z e t J E O L — J X A — 5 mikroszondájával Stefániay Vilmos k é s z í t e t t az E I V R T és az F K I közötti szer ződéses m u n k á k során. A technológia ,tökcletlensegei" és a teknőgörbe kapcsolata A fejlesztés kezdeti időszakában, amíg megfelelő eszközóraszámú és hőmérsékletű vizsgálati eredmény nem áll rendelkezésre, a monolit, szilícium alapú plan á r integrált áramköröknél az ú n . teknőgörbe — 17. ábra — helyett, csak az exponenciális eloszlású meg hibásodási szakaszt t e k i n t e t t ü k az integrált á r a m k ö r r e jellemzőnek, azaz „örökifjúnak" t é t e l e z t ü k fel az á r a m k ö r t . Ez a feltevés azonban nem bizonyult helyesnek. A félvezető eszközök működése folyamán ugyan nincs olyan h a t á s , amelynek k ö v e t k e z t é b e n elhasz nálódna valamely alkatrész, azonban a technológia meglevő tökéletlenségei [9] egyes elemhibák, fémezési és kötési eljárások során előidézik az eszköz haj l a m á t az öregedésre. X(f-) meghibásodás/ faktor
X X V . É V F . 8.
S2.
sen túllépő vizsgálatokat is végeztünk g y á r t m á n y a i n kon az öregedő szakasz k i m u t a t á s á r a . A z elektromos tartósterhelés vizsgálat a „ B " vizsgálat szerint: / = 1 0 0 k H z ; T=70 °C; V = 5 V ; N=Í0 (ohmos) és í = 1 6 8 , 500, 1000 óra feltételek mellett történik. A g y á r t m á n y a i n k a fenti beállításban 5000 óráig nem h i b á s o d t a k meg. A gyorsításoknál a felhasználók szempontj ából egye düli alkalmazási m ó d , a dinamikus üzem mellett cc
f~5MHz
t
+•1 kitöltési
fényező
R - 270 ohm C = 100 pF %-35mU/kapu r
T
18. ábra.
^
Elektromos tartósterheléses égetőkapcsolás
d ö n t ö t t ü n k . Az áramkörök rendszertechnikai felhasz nálása során a kimeneti terhelés soha nem tisztán ohmos, hanem kapacitív terhelést is tartalmaz. K i indulásunk t e h á t a következő v o l t : dinamikus üzem, RC terhelés, max. tápfeszültség. A célunk az volt, hogy a 10 mW/kapu átlagtelje s í t m é n y t meghaladva vizsgáljuk áramköreinket. Az égetőkapcsolás a 18. á b r á n l á t h a t ó : V = 7 V és T = 8 5 °C beállítás mellett. A mérés és számítás ú t ján kapott P — f k a r a k t e r i s z t i k á t a 19. á b r a szemlél teti, amely a beállítás alapjául szolgált [2]. (A kül földi I : 1LB 553, külföldi I I : SN 5400N, külföldi I I I : SN 7400N). A megvalósított égetőkapcsolásban vizsgáltuk a T L 7400 és SN 7400 N áramköröketEgyidejűleg 5 db F L H 101 típusú á r a m k ö r t is fel. t e t t ü n k az égetőkeretre. A T L 7400 és az SN 7400N á r a m k ö r ö k 5000 óráig nem hibásodtak meg. Az F L H 101 á r a m k ö r ö k 1000 óránál paraméterdegradációt mutattak. A saját „ B " vizsgálati rendszerünknél a p a r a m é t e r h a t á r t 25 °C-on a vizsgálat során, i l l . u t á n túllépő példányok selejtnek minősülnek. A fenti 5 pél d á n y V értéke 1000 óra u t á n 4 0 0 m V - n á l nagyobb volt. A fentiekben részletezett égetőkapcsolásban kapott á t s z á m í t á s nélküli meghibásodási r á t a a TUNGSRAM integrált á r a m k ö r ö k r e : c c
0L
szakasz
Exponenciális szakasz
\ Öregedési tidő szakasz \H2S2-KGn\
17. ábra.
Teknőgörbe
A technológia tökéletlenségének t u d h a t ó be, hogy kellően magas hőfokon és i d ő t a r t a m esetén az öre gedő szakasz megfigyelhető az integrált áramkörök nél is. Fokozott igénybevételű vizsgálat
elektromos
tartósterhelés
A T U N G S R A M Ágazati Félvezetőfejlesztésen a „ B " vizsgálattól eltérő, az üzemi k ö r ü l m é n y e k e t jelentő
246
^60%CL=
Fokozott igénybevételű
:
6
' 7
1
0
~ / 6
O
R
A
hó'mérséklet-tárolásos
vizsgálat
A fejlesztési kísérletek, i l l . a redukciós görbe meg h a t á r o z á s a céljából végeztünk 150 °C, 175 °C és 200 °C-on is hosszú i d ő t a r t a m ú vizsgálatokat. A számszerű eredmények az 1. t á b l á z a t b a n és az ebből szerkesztett görbék a 20. á b r á n l á t h a t ó k . Az alacso nyabb hőfokon (150 °C) közel szabályos a teknő-
KALMÁR
70
1
G.: HIBAANALÍZIS
r—i—i—i
i
i
BEÉPÍTÉSE
IC-K FEJLESZTÉSÉBE
~l
|
1
1
1
1—I—TT
TL 7400~as áramkörök veszteségi teljesítmény-működési frekvencia görbéi
60 50
7 f Külföldi I. Külföldi III.
C =70 F T
Magyar
P
KülföldiII.
oh Külföldi I.
Vc = 7V
30
C
földi r Magyar -földi II. Kúlf u
20 40 I
010~
3
1
4
, l
I
L_J_
'
5 6 7 8 940
C
4
'
i
' I
5 6 7 8 9 40
f,S
f[MHzJ 19. ábra.
A T L 7400-ás á r a m k ö r ö k veszteségi t e l j e s í t m é n y — m ű k ö d é s i frekvenciagörbéi
görbe, míg a magasabb hőfokokon meredekebb az öregedő szakasz felszálló ága a görbéknél. A z előző e r e d m é n y e i n k n é l az 1. és 2. i r o d a l o m b a n a K f a k t o r t Poisson eloszlás s'zerint s z á m í t o t t u k k i é s 125 ° G , 150 ° C , 175 °G a d a t o k a l a p j á n . A fejlesztés k e z d e t i i d ő s z a k á b ó l s z á r m a z t a k a 125 °G-os a d a t a i n k , a m e l y e k e t n e m t e k i n t e t t ü n k k e l l ő e n f o k o z o t t i g é n y b e v é t e l n e k és e z é r t a k é s ő b b i e k b e n a 1.
N
•'
i.
Hőfok °C
t vizsg. idő (óra)
2.
1. 318
528
5000
4000
3. 627
3000
III. 200 °C
O L
V
0
N
841
345
110
1000
1000
1000
c«
a A
3 2
4
4
1
8
23
< 2,4 V
—
—
—
—
1
—
—
—
—
—
1
1
1
1
—
—
—
—
11
15
5
1
3
17
14
20
9
2
13
. 41
I, (2,4 V ) =-40 jxA H
O
3 2
=-0,4 V
I ff>270
Hőmérséklet tárolásos vizsgalat eredményei TTL ^ áramköröknél //.•• 150 %//.•• 175*0, HU200 °C/ 10
4.
H i b a ok V
magasabb h ő f o k o n v é g e z t ü n k ú j a b b v i z s g á l a t o k a t . A l e g ú j a b b a d a t o k a 150 ° G , 175 °G é s 200 ° G - r a v o n a t k o z n a k és k h i - n é g y zet e l o s z l á s a l a p j á n s z á m í t o t t u k a % f a k t o r t , 60% egyoldalas konfidencia szintre.
táblázat
II. 175 ° 0
150 ° 0
darabszám db
Hm-KG19\
|iA
Szakadás
2
40*
.
Megjegyzés: A 175 °G-os é s a 200 °G-os h ő n t a r t á s t kisebb d a r a b s z á m o n , 3000 ó r á i g v é g e z t ü k , a m i n e k az e r e d m é n y e az á b r á n l á t h a t ó is.
^>'
v
•^*/./4
Zárlat Összes h i b a ( d b )
,
4F
t
1111
4 í 6 7*970*
2
_i
i i i M 11
3 « 567Í910
1
J
2 -ilhrj
l
I I M
I I
3 6 567)910'' \H2n-KB20\
20. ábra. H ő m é r s é k l e t - t á r o l á s o s v i z s g á l a t áramköröknél
eredményei T T L
247
H Í R A D Á S T E C H N I K A X X V . É V F . 8. S 2 .
A 20, á b r a a l a p j á n is l á t h a t ó , hogy. a fejlesztés során melyik területen kell előbbre lépni. Az örege dést m u t a t ó integrált á r a m k ö r ö k VQ p a r a m é t e r d e g r a d á e i ó t m u t a t t a k túlnyomórészt, amely az A u - A l kötés pestisedése m i a t t k ö v e t k e z e t t be. L
Az A u — A l kötésnél ö t intermetallikus ötvözet ( A u A l , A u A l , A u A l , A u A l és A u A L ) k é p z ő d é s é t f i g y e l t é k meg [10, 11] A Si, i l l . a S i 0 j e l e n l é t e b e f o l y á s o l j a a k ü l ö n b ö z ő f á z i s o k k i a l a k u l á s á t . A z egyes f á z i s o k a t s z í n ü k a l a p j á n b í b o r ( A u A l ) , s z ü r k e ( A u A l ) stb. pestises á l l o m á n y k é n t lehet m e g k ü l ö n b ö z t e t n i . A magas h ő m é r s é k l e t h a t á s á r a az egyes i n t e r m e t a l l i k u s f á z i s o k e g y m á s b a á t a l a k u l v a t é r f o g a t v á l t o z á s t és e l l e n á l l á s v á l t o z á s t i d é z n e k elő a k ö t é s n é l . A n a g y t é r f o g a t n ö v e k e d é s s e l k i a l a k u l ó A u A l fázis (67,9% t é r f o g a t v á l t o z á s ) [10] — a m e l y a z t á n A u A l - b e m e g y á t — l é t r e h o z h a t o l y a n ü r e g e k e t , ame lyek a k ö t é s t e r ü l e t alatt összeérve a k ö t é s félválását idézik e l ő . A k ü l ö n b ö z ő pestises f á z i s o k az A u - A l k ö t é s n é l m i n d i g k i a l a k u l n a k , de h o g y m e l y i k f á z i s h o l h e l y z k e d i k el, és ezek m i l y e n s t a b i l o k , azaz m e n n y i r e h a j l a m o s a k m á s f á z i s b a v a l ó á t a l a k u l á s r a — ez fogja m e g h a t á r o z n i a k ö t é s m e g b í z h a t ó ságát. 2
2
5
2
4
2
2
2
ÍU
n
,
1
— |
125
•100
70
1
r
T 90°A-os kétoldali konfidenciahatárok
10 s
6
7 - 150 "C Nt= 1,5-10 eszközóra
3
?'
Nt= 5?- Weszközóra T= 200"C Ní= 1-10 eszközóra 5
10
10 » íí
1,9 2
2,1 2,2 2,3 2,h 2,5 2,6 2,7 2,8 2,9
3
\Hm-KG?i\ 21. ábra. A T L 74. . . á r a m k ö r c s a l á d r e d u k c i ó s g ö r b é j e a h ő mérséklet-tárolásos vizsgálatok alapján
248
5
Ez a meghibásodási a r á n y bizonyítja, hogy eredmé nyes volt az a munka, amelyet az 1. ábra szemléltet és amelyet az áramkörfejlesztőkkel közösen végez t ü n k a megbízható integrált á r a m k ö r kifejlesztése során. Összefoglalás
I R O D A L O M
5
A
A felhasználóknak, a rendszertervezők s z á m á r a igen fontos adat az alkatrész meghibásodási a r á n y a , a 1 faktor é r t é k e . A 150 °C, 175 °C és a 200 °C-os vizsgálatok lehetőségét adtak az ú n . redukciós görbe megszerkesztéséhez 21. ábra. A szokásos hőfokra, 55 °C-ra 60% egyoldalas konfidencia h a t á r r a a d ó d ó érték: ! 5°c^5.10-Yóra
A technológia és a megbízhatósági vizsgálatok k ö z ö t t megfelelő visszacsatolás, a szoros e g y ü t t m ű k ö d é s egyik alapfeltétele volt a megbízható integrált á r a m körcsalád kifejlesztésének. A hibaanalízis megfelelő alkalmazása és értékelése döntő szerepet j á t s z o t t a fejlesztési m u n k á b a n . A fejlesztési célkitűzések a hibamechanizmusokkal kapcsolatos t o v á b b i k u t a t á s o k a t olyan területekre összpontosította, ahol a hibaanalízis biztosítja a technológia továbbfejlesztését.
A TL 74-... dramkörcsalád redukciós görbéje a hőmérséklet tárolásos vizsgálatok alapján ,#250 225 200 175 150
Jelenlegi megbízhatósági eredményeink
[1] Kalmár G.—Komlóssy É.: T U N G S R A M m ű a n y a g t o k o zott T T L integrált á r a m k ö r ö k megbízhatósága. H í r a d á s t e c h n i k a (1973) 14, 10. sz. 312 o l d . [2] Kalmár , G — Balogh T.: M ű a n y a g t o k o z o t t T T L i n t e g r á l t á r a m k ö r ö k m e g b í z h a t ó s á g - v i z s g á l a t i rendszere. ( E l ő a d á s ) 3. M e g b í z h a t ó s á g az e l e k t r o n i k á b a n S z i m p ó z i u m . Bpest, 1973. nov. 13—16. I . k ö t e t 153—169. o l d . [3] Szántó I . : S z i l á r d testek r á c s h i b á i n a k l á t h a t ó v á t é t e l e röntgentopográfiai módszerekkel. Műszaki T u d o m á n y (1969) 4 1 ; 3 241 — 309. o l d . [4] Stefaniay V.— Kalmár G.: F é l v e z e t ő e s z k ö z ö k r ö n t g e n sugaras á t v i l á g í t á s á r ó l . M u n k a j e l e n t é s (1971)-júl. 13. [5] Kalmár G.— Dr. Patai Gy-né: A r ö n t g e n s u g a r a s e l l e n ő r z é s jelentősége a m e g b í z h a t ó félvezető előállításában (Elő a d á s ) 3. M e g b í z h a t ó s á g az e l e k t r o n i k á b a n S z i m p ó z i u m Bpest, 1973. nov. 13—10. I . k ö t e t , 171 — 179. o l d . [6] Yamada S.: R e l i a b i l i t y of Semiconductor Devices. Tos h i b a R e v . (1970) 47. [7] Barna P.—Csanády A-né: A p á s z t á z ó e l e k t r o n m i k r o s z k ó p és f e l h a s z n á l á s i t e r ü l e t e i a f é m i p a r b a n . K o h á s z a t (1972) 105. 1 1 . s z á m 489. o l d . [8] Kalmár G.—Pálinkás F.—Stefániái/ V.: F é l v e z e t ő k vizs g á l a t a p á s z t á z ó elektronsugaras e s z k ö z ö k k e l . ( E l ő a d á s ) A s z i l á r d t e s t k u t a t á s k o r s z e r ű b e r e n d e z é s e i . Konferencia, Bpest, 1973. szept. 25—28. [9] Kalmár G.: M o n o l i t i n t e g r á l t á r a m k ö r ö k n é h á n y jelleg zetes m e g h i b á s o d á s i m ó d j a , k ü l ö n ö s t e k i n t e t t e l a m e t a l l i zációs p r o b l é m á k r a . H í r a d á s t e c h n i k a (1973) 14. 13. s z á m 345. old. [10] M. Kashiwabara—S. Hattori: F o r m a t i o n of A l - A u I n t e r m e t a l l i c Compounds and Resistance Increase for U l t r a sonic A l W i r e B o n d i n g . R e v i e w of the E l e c t r i c a l C o m m u n i c a t i o n L a b o r a t o r y (1969) V o l . 17 N o 9. 1001—1013. o l d . [11] E-Philofskij: Intermetallic Formation in Gold-Aluminium Systems. Solid-State Electronics (1970) V o l . 13, 1391— 1399. o l d .
